• Hanns-J. Neubert

Ein Werkstoff, der die Welt verändert.

Gtec 56444250 2Ein Werkstoff, der die Welt verändert.

Graphen. Christoph Guger ist ein echter Pionier. Seine Firma g.tec – Guger Technologies nutzt das Wundermaterial Graphen, um extrem
dünne Gehirnelektroden zu bauen, mit denen sich Gehirnströme und Nervenimpulse in Echtzeit messen lassen.

„Die Idee, den Werkstoff Graphen für unsere Sensoren zu nutzen, hatte ich im Jahr 2013“, erzählt Christoph Guger. Zu dieser Zeit legte die EU-Kommission gerade ihr „Graphen-Flaggschiff“ auf – ein milliardenschweres Forschungsprojekt mit dem Ziel herauszufinden, ob und wie das völlig neue Material Prozesse in der industriellen Produktion verbessern könnte. „Mir war sofort klar: Dieses Material hat das Zeug dazu, mein Geschäft und das vieler anderer Unternehmer völlig zu verändern.“

Die Eigenschaften von Graphen – die Betonung liegt auf dem „e“ – sind in der Tat spektakulär. Es ist härter als Diamant, 200 Mal stärker als Stahl und dennoch flexibel. Die biegsamen Graphenschichten sind durchsichtiger als Glas und eignen sich deshalb hervorragend für Touchscreens von Smartphones und für Solarzellen. Außerdem leitet es elektrischen Strom bis zu einer Million Mal besser als die üblichen Kupferkabel und ist nicht magnetisch.

Die außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit macht Graphen auch zu einem idealen Material für die Nanoelektronik. Damit lassen sich beispielsweise Transistoren, die Grundbausteine von Computern und Mobiltelefonen, noch viel kleiner bauen. Die tausendmal höhere Beweglichkeit der Elektronen in einer solchen Schicht könnte ungeahnt hohe Taktfrequenzen in Computerchips erlauben – bei gleichzeitig geringerer Abwärme. Und ein großes aktuelles Problem der Chiphersteller angesichts der immer dichter gestapelten Schaltkreise aus Silizium wäre gelöst.

Für den innovativen Unternehmer ergeben sich so ganz neue Perspektiven. „Mit Graphen können wir unser Portfolio an Sensoren zum Ableiten von Gehirnströmen verbessern und Neurowissenschaftlern darüber hinaus ganz neue Entdeckungsmöglichkeiten eröffnen. Da lassen sich wirklich spannende Dinge machen“, erklärt Guger.

Neben den bekannten EEG-Geräten baut g.tec auch sogenannte Elektrokortikogramme, kurz ECoG. Dazu implantieren Hirnchirurgen acht Quadratzentimeter große Elektrodengitter im geöffneten Schädel unter der Hirnhaut direkt auf die Hirnrinde. Dieses Gitter enthält derzeit 64 Edelmetallelektroden, die je nach Bauart ein bis fünf Millimeter groß sind. Außerdem produziert Guger sogenannte Tiefenelektroden – Wolfram­nadeln, die tief ins Gehirn gesteckt werden, damit Nervenimpulse auch von tiefer liegenden Hirnregionen aufgezeichnet werden können.

„Die Herstellung dieser Elektroden ist relativ aufwendig. Größtenteils werden sie noch handgefertigt, wobei beispielsweise die Kabel händisch angelötet werden müssen. Mit Graphen könnten wir zum Beispiel maschinell dreidimensionale Strukturen erzeugen. Und dann nicht nur flache Elektroden bauen, wie zurzeit, sondern Strukturen, die besser an die Gehirnrinde angepasst sind.“

Weil Graphen so dünn ist, wäre es sogar möglich, die Aktivität einzelner Hirnzellen an Stellen zu messen, zu denen die Chirurgen mit den etablierten Elektroden noch nicht vordringen können.

Völlig neue Perspektiven für die Gehirnforschung ergeben sich auch dadurch, dass Graphen nicht magnetisch ist wie die üblichen Elektroden. Wird dieser Werkstoff eingesetzt, ist es möglich, das Gehirn gleichzeitig im Gehirnscanner zu beobachten, dem sogenannten Magnetoenzephalographen, kurz MEG. „Ich kann ja in so einen Scanner nicht mit metallischen Elektroden reingehen“, erläutert Guger. „Die erwärmen sich dann und verbrennen das Gehirn oder schmelzen das Gewebe weg.“

Aber das ist noch nicht alles. Über eine Graphenlitze lassen sich gleichzeitig Stoffe direkt zu einer Nervenzelle im Gehirn einschleusen. „Das können leitfähige Flüssigkeiten sein, die den elektrischen Widerstand zwischen Hirnzellen und Elektrode herabsetzen“, erklärt   >

Guger, „aber auch Botenstoffe, die Abstoßungsreaktionen entgegenwirken, die bei implantierten Gehirnelektroden auftreten können. Das sind lauter Eigenschaften, die ich mit herkömmlichen Metallen einfach nicht habe.“

Nicht nur für g.tec ergeben sich neue Möglichkeiten. Graphen hat das Potenzial, sämtliche Industrieprodukte, wie wir sie kennen, zu verändern.

Das Material besteht aus nur einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, wie sie im Graphit einer Bleistiftmine zu Millionen übereinandergestapelt sind. Ein Millimeter Graphit enthält zum Beispiel drei Millionen Lagen Graphen.

Lange Zeit schien es unmöglich, dass so eine Schicht überhaupt allein existieren kann. Doch 2004 gelang es den beiden aus Russland stammenden Physikern Andre Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester, mit einfachem Klebeband eine solche atomdünne, winzig kleine Schicht Graphen vom Graphit zu trennen. Dafür – und für ihre Untersuchungen zu den Eigenschaften der Wunderfolie – erhielten sie 2010 den Nobelpreis für Physik.

Seine außergewöhnlichen Fähigkeiten bescherten Graphen in den vergangenen zehn Jahren einen regelrechten Forschungsboom. Um die enormen Möglichkeiten schneller in marktfähige Anwendungen umzusetzen, legte zum Beispiel die EU-Kommission 2013 ein milliardenschweres Forschungsprojekt auf, das „Graphen-Flaggschiff“. Dort arbeiten in erster Linie Universitäten und Forschungseinrichtungen mit Großunternehmen aus ganz Europa zusammen. Ein mittelständisches Unternehmen wie g.tec ist innerhalb dieses Konsortiums eine echte Ausnahme. „Wir sind da im Jahr 2014 reingegangen, weil wir mit den Fördermitteln, die dort zur Verfügung stehen, sehr schnell unsere Idee umsetzen konnten. So bleiben wir ganz vorn dabei“, erklärt Guger.

In Sachen Anwendung von Graphen ist Guger tatsächlich ein Pionier. „Für kleinere Mittelständler ist es eigentlich zu früh, sich mit Graphen zu beschäftigen“, meint nämlich Heinrich Kurz, Professor i. R. für Halbleitertechnik an der Universität RWTH Aachen und einer der beiden Geschäftsführer der AMO GmbH, die ebenfalls Partner im EU-Graphen-Projekt ist. „Kleine Firmen haben gar nicht die Kapazität, um sogenannte Scouting-Stäbe zu beschäftigen, die immer über den neuesten Stand auf dem Laufenden sind.“

AMO ist ein reines Forschungsinstitut, das Auftragsforschung und -entwick­lung für Unternehmen durchführt, die keine eigene Abteilung dafür haben oder die das hier vorhandene Spezialwissen nutzen wollen, zu dem auch die Graphenexpertise gehört.

Für Kurz befindet sich die Entwicklung rund um Graphenprodukte derzeit in der sogenannten „Replacement“-Phase. Das bedeutet, dass die Forscher und Unternehmen zunächst Ersatz für exis­tierende Lösungen suchen, beispielsweise für das Silizium in elektronischen Bauteilen. Der wirkliche Durchbruch käme erst dann, wenn für Graphen ganz eigenständige, originäre Produkte entwickelt würden.

„Der erste Kandidat dafür ist wohl die Sensorik“, meint Kurz, „dort wird sich wahrscheinlich schon bald Entscheidendes tun.“ Bei den sogenannten Hall-Sensoren passiere heute schon sehr viel. „Das sind Standard-Sensorelemente, von denen 50 bis 100 Stück in Autos verbaut sind, aber auch in vielen Elektrogeräten“, erläutert Daniel Neumaier, Abteilungsleiter bei AMO und Divisionsleiter im EU-Graphen-Flaggschiff-Projekt. Sie messen beispielsweise berührungslos, ob die Reisenden angeschnallt sind oder in welcher Stellung sich Lenkrad, Gaspedal oder Gangschaltung befinden. Durch die Verwendung von Graphen sind sie jetzt hundertmal sensibler als die herkömmlichen Siliziumvarianten. AMO und Bosch entwi­ckelten derzeit parallel Prototypen, die wohl schon bald in Autos eingebaut sein werden. Experimentiert wird zudem am Ersatz ganzer Kabelbäume durch eine einzige Graphenfolie.

Mit etwas Fantasie lassen sich unzählige wirklich revolutionäre Entwicklungen denken. Leistungsfähigere Graphenbatterien zum Beispiel, die händeringend gesucht werden, um Elektroautos leichter und wirtschaftlicher zu machen oder um den unregelmäßig erzeugten Strom aus Wind und Sonne effizient speichern zu können. Oder eben hauchdünne kratz- und zerstörungsfeste, schützende Graphenoberflächen für Smartphone- und Tabletbildschirme, Solarmodule und Fahrzeugkarosserien.

Bis es so weit ist, wird es allerdings noch eine Weile dauern. Denn mehr als kleine Flocken von Graphen lassen sich bisher nicht gewinnen. Wissenschaftler bas­teln daran, bessere und preiswerte Verfahren zur großflächigen Herstellung der einatomigen Folien zu finden. AMO kann immerhin bereits ein- bis zehnlagiges Graphen auf Sechs-Zoll-Wafern vorweisen und anbieten.

Für die breite Verwendung in Alltagsprodukten ist Graphen zudem noch viel zu teuer. Ein einziges Gramm kostet in der Produktion derzeit 44 Euro. Dieser Preis werde allerdings schnell dramatisch sinken, wenn Graphen erst stärker genutzt werde, glauben die Manager des australischen Konzerns Talga Resources. Talga baut im thüringischen Rudolstadt die erste Graphen-Produktionsanlage in Deutschland und positioniert sich so für den erwarteten Nachfragebedarf. In Nordschweden besitzt der Konzern eigene Lagerstätten mit Graphit, aus dem er mit einem neuen Verfahren Graphen preiswert im Industriemaßstab herstellen will.

Für Christoph Guger spielt das nicht die entscheidende Rolle. Er benötigt für seine Produkte nur winzige Mengen von Graphen. Seine neuen Graphenelektroden, die jetzt nur noch wenige Mikrometer groß sind, sind bereits fertig und werden derzeit am g.tec-Standort in Barcelona in Zusammenarbeit mit einem Forschungsinstitut getestet. An Schnitten von Rattenhirnen zeigte sich, dass sie gut funktionieren. Erste Versuche mit menschlichen Gehirnen laufen bereits.

„Natürlich wird es noch ein paar Jahre dauern, bis unsere Graphenelektroden auch in menschliche Gehirne implantiert werden dürfen“, erklärt Guger, „aber bei uns machen ohnehin Tierversuche derzeit rund 90 Prozent des Absatzes aus. Wenn es aber so weit ist, dann werden wir die Einzigen im Bereich der Neurowissenschaften sein, die Graphen verwenden.“    ®

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